1~20號元素原子的核外電子組態與元素的性質

1~20號元素原子的核外電子組態與元素的性質(Electron Configuration and The Characters of Element No.1~ No.20)
臺北縣私立淡江高級中學化學科賴亭吟老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

原子由質子、中子和電子組成，原子和中子組成了原子核，電子則圍繞在原子核的四周，但是如何去描述電子的行為，一直是對科學家的一大挑戰。電子是很特別的微小粒子，海森堡(Werner Heisenberg, 1901-1976)告訴我們像這麼小的粒子是具有波動性的，也就是說電子既是粒子也是波，兼具粒子與波動兩種性質。

 1926年奧地利科學家薛丁格(Erwin Schrodinger, 1877-1961)發展出量子力學(Quantum mechanics)，以數學的方程式解釋了原子中電子在哪裡。從方程式裡，薛丁格用了三個參數來描述原子中電子的位置，這三個參數分別是「主量子數(The Principle quantum number, n)」、「角動量子數(The azimuthal quantum number, l)」與「磁量子數(The magnetic quantum number, m_l)」。不過這並不代表電子是固定在特定的位置上，實際上電子就像一個愛玩躲貓貓的小孩，他不會一直出現某個地方，而是跑來跑去的，所以科學家只能算出他最可能出現的地方，以「機率」來描述電子的位置。

主量子數n為正整數，代表電子跟原子核的平均相對距離，n值越大離原子核越遠。角動量子數l描述了電子佔據區域的形狀，值和n有關。還有一個磁量子數m_l，磁量子數則是決定電子佔據區域的方位，且受外加磁場影響，值和l有關。用這三個量子數的排列組合足以描述每個電子在原子中的空間分布，而電子在原子中的空間分布稱為「軌域(Orbital)」。因為主量子數決定電子和原子核的平均距離，相同主量子數的軌域和原子核距離相似，形成一殼層(Principal shell)，依電子距原子核遠近，由內而外可以主殼層n=1、2、3、4…表示，對應代號分別為K、L、M、N…層。而相同主量子數和角動量子數的軌域組成次殼層(Subshell)。

每一軌域的電子都具有特定能量，越靠近原子核，能量越低；距原子核越遠，能量越大。能量由低到高如同階梯，稱為「能階」。電子填入殼層時，須由低能階殼層開始，依序往高能階殼層填入。每一個殼層最多可填入2n²個電子，填滿後即往能量較高的下一層填入。因此主殼層n=1(K層)可容納2個電子，n=2(L層)可容納8個電子，n=3(M層)可容納18個電子…。 週期表中原子序1~20號元素的電子組態如下圖：

電子填入之最外殼層稱為價殼層(Valence shell)，價殼層中的電子稱為價電子(Valence electron)。價電子的數目影響元素之化學性質，因此有相同價電子數的元素，就可能有相似的化學性質。在週期表中，橫列為週期，擁有相同主量子數的元素在同一週期。直行為族，擁有相同價電子數的元素在同一族。IA族 包含鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)，價電子數皆為1，都是灰色，是質軟且活性大的金屬，因為其金屬氧化物為鹼性通稱鹼金屬。VII A族包含氟(F)、氯(Cl)，價電子數皆為7，皆為有顏色，氧化力強的氣體，通稱為鹵素。VIII A族包含氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)，除氦的價電子數為2，其餘價電子數皆為8，是該殼層價電子數最多的元素，因此特別安定，不易發生反應，在自然界多以單原子的形式存在，又稱惰性氣體或鈍氣。

在週期表中，對於同族元素，由上至下電子殼層數增加，原子半徑越大，原子核對最外層電子的吸引力越小，因此最外層電子越容易失去，即金屬性越強。對於同週期元素，越往右核電荷數增加，原子核對外層電子的吸引力越強，原子半徑逐漸減小，非金屬性越強。介在金屬和非金屬之間為類金屬，如硼(B)、矽(Si)…等，其導電度也藉在金屬與非金屬之間，為製成半導體的材料。

參考資料
1. 陳竹亭教授主編，《基礎化學》，第46頁至第47頁，泰宇出版社，2010年1月初版。
2.〈09-原子結構與周期表〉，教育部學習加油站網站–學科教材-高中-化學。
http://content.edu.tw/senior/che … number3/1/index.htm
3.〈原子的核外電子排列規律〉，百度-知道網站，2006年3月25日。
http://zhidao.baidu.com/question … cid=197&index=1